【摘要】：為了提高仿生視覺(jué)系統(tǒng)中調(diào)焦方法的實(shí)時(shí)性,在對(duì)基于液體透鏡的仿生視覺(jué)系統(tǒng)調(diào)焦控制方式進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,提出一種改進(jìn)的快速調(diào)焦方法,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)焦距快速調(diào)節(jié)的功能。首先將基于激光位移傳感器的主動(dòng)式調(diào)焦結(jié)果作為預(yù)正焦點(diǎn)的判斷準(zhǔn)則,然后利用基于Sobel算子的灰度梯度評(píng)價(jià)函數(shù)并結(jié)合改進(jìn)的爬山搜索算法對(duì)焦距進(jìn)行精細(xì)調(diào)整,最后搭建仿生視覺(jué)成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置,驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性。結(jié)果表明,利用提出的快速調(diào)焦方法,在調(diào)焦過(guò)程中對(duì)同一場(chǎng)景不同模糊程度24幀圖像的處理時(shí)間可以達(dá)到257 ms,相比于傳統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦方法在速度上有很大提升。
【圖文】：

仿生視覺(jué)系統(tǒng)提供了一種全新的快速調(diào)焦方法。2仿生視覺(jué)快速調(diào)焦系統(tǒng)2．1液體變焦透鏡工作原理液體變焦透鏡是近些年出現(xiàn)的一種新型光學(xué)元件，它與傳統(tǒng)的變焦鏡頭不同，不僅調(diào)焦響應(yīng)時(shí)間很快(一般十幾毫秒)，而且無(wú)需調(diào)整透鏡組的間隔，只需要通過(guò)電流或電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)控制液體的折射率或鏡頭表面曲率，從而實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)［7］。事實(shí)上，有關(guān)液體透鏡的研究可歸結(jié)為兩大類:一類是漸變折射率透鏡，另一類是曲率變化透鏡，后者主要是基于電潤(rùn)濕效應(yīng)及液體填充方式，本文使用的Optotune液體透鏡為液體填充方式(圖1所示)。圖1液體填充式透鏡原理Fig．1Workingprincipleofliquid－filledlens液體填充方式是使用光學(xué)透明彈性薄膜將液體限制在腔體當(dāng)中，通過(guò)液體的壓力來(lái)控制薄膜面形變化，透鏡的光焦度(焦距倒數(shù))由液體表面曲率和液體—空氣兩者折射率差來(lái)決定。φ=1f=n－1r(1)式中，，f為透鏡焦距;r是透鏡表面的曲率半徑;n為液體的折射率�？勺冃螐椥员∧び糜谙拗乒鈱W(xué)液體并在液體腔與外界的壓力差下產(chǎn)生所需的面形。當(dāng)光學(xué)液體被注入到液體腔時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)正壓力，彈性薄膜受到壓力差作用將向外凸起，形成凸透鏡;相反地，當(dāng)光學(xué)液體從液體腔被抽出時(shí)，將產(chǎn)生負(fù)壓力形成凹透鏡，通過(guò)液體的進(jìn)出控制腔內(nèi)的壓力，從而實(shí)現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)［8］。2．2快速自動(dòng)調(diào)焦方法研究現(xiàn)階段基于液體透鏡的調(diào)焦控制方式有手動(dòng)調(diào)節(jié)以及基于圖像算法兩種方法，但這兩種方法的不足也是非常明顯的，前者由于實(shí)時(shí)性以及依靠人眼主觀意識(shí)判斷圖像清晰度等缺點(diǎn)限制了該方法在仿生視覺(jué)領(lǐng)域的應(yīng)用，后者由于目標(biāo)物體場(chǎng)景的多樣性，會(huì)導(dǎo)致圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)存在局部峰值，因此在調(diào)焦算法上很難保證每次正焦點(diǎn)的判斷是無(wú)誤

清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)合小步長(zhǎng)極值搜索算法，使系統(tǒng)焦距快速達(dá)到正焦點(diǎn)，獲取實(shí)時(shí)清晰圖像，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2�；谝后w透鏡的仿生視覺(jué)快速調(diào)焦系統(tǒng)包括:目標(biāo)物體、位移傳感器、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器、液體變焦透鏡、圖像傳感器以及支撐結(jié)構(gòu)。圖2仿生視覺(jué)快速調(diào)焦方法實(shí)現(xiàn)框圖Fig．2FrameworkoftheBionicvisionquickfocusingmethod3快速自動(dòng)調(diào)焦方法理論分析3．1大步長(zhǎng)粗調(diào)焦過(guò)程基于液體透鏡的仿生視覺(jué)快速調(diào)焦方法的關(guān)鍵在于液體變焦透鏡的實(shí)時(shí)控制，故本文的大步長(zhǎng)粗調(diào)焦實(shí)現(xiàn)過(guò)程需建立物距－焦距－控制電流三者之間的關(guān)系。圖3為光學(xué)成像簡(jiǎn)易模型。圖3透鏡聚焦成像簡(jiǎn)易模型Fig．3Simplelensfocusingimagingmodel圖中，P為目標(biāo)物體，P'為物體P經(jīng)透鏡成像的聚焦像，此透鏡焦距為f，P點(diǎn)與透鏡中心的垂直距離為u，聚焦像點(diǎn)P距透鏡中的距離為v，透鏡光學(xué)成像公式如下:1f=1u+1v(2)目標(biāo)物體在成像面為一幅聚焦像，根據(jù)式(2)即可得物距為:u=v·fv－f(3)由上式可知物距與系統(tǒng)的像距、焦距有關(guān)。液體變焦透鏡的控制方式為電流驅(qū)動(dòng)，透鏡內(nèi)部含有光學(xué)補(bǔ)償透鏡組，經(jīng)理論分析及研究，可經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得到物距與液體透鏡驅(qū)動(dòng)電流之間的關(guān)系曲線，通過(guò)實(shí)時(shí)的物距信息，驅(qū)動(dòng)液體透鏡使其焦距進(jìn)行變化，快速達(dá)到系統(tǒng)預(yù)正焦點(diǎn)，從而對(duì)不同遠(yuǎn)近的目標(biāo)物體進(jìn)行成像。這種大步長(zhǎng)調(diào)焦方法能避免遠(yuǎn)離正焦點(diǎn)區(qū)域局部極值所造成的干擾以及全局基于圖像的自動(dòng)調(diào)焦算法中需進(jìn)行多次評(píng)價(jià)函數(shù)判別確定系統(tǒng)預(yù)正焦點(diǎn)存在的時(shí)效性不足等缺點(diǎn)，極大地提高了預(yù)正焦點(diǎn)搜索速度，兩種方式的對(duì)比如圖4所示。圖4大步長(zhǎng)粗調(diào)焦過(guò)程Fig．4Theprocessoflargesteproughfocusing3．2小步長(zhǎng)細(xì)調(diào)焦過(guò)程當(dāng)系統(tǒng)焦距到達(dá)預(yù)正焦點(diǎn)之后，需要根據(jù)實(shí)?

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本文編號(hào)：2582201